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设计过程中如何认清效率与功率损耗

上网日期: 2007年07月27日 ?? 作者: Paul O'Shea ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:效率?

   

25年来,凌力尔特公司(LTC)一直在稳步成长。其利润率大约在40%,这几乎是其众多竞争对手的一倍。一些人认为,凌力尔特的成功部分源于,这家专注于高性能模拟芯片的制造商,总能在现有产品的价格开始大众化时,迅速开辟一个新市场。目前,凌力尔特专注的是一些新兴领域,例如以太网供电(PoE)芯片,这类芯片能使基于互联网的电话从电话线中获得电能。

凌力尔特的创始人之一兼CTO Robert Dobkin先生,一直被认为是该公司成功的因素之一,他有超过30年高性能线性IC的开发经验,并创制了许多行业标准电路。在今年的应用电力电子研讨会(APEC 2007)期间,EE Times姐妹网站Power Management DesignLine的网站编辑兼资深技术编辑史波,在迪斯尼乐园酒店采访了Dobkin。被同事们昵称为“Dobby”的Robert Dobkin佩戴着一枚米老鼠像章,侃侃而谈他最得意的话题:凌力尔特本身,以及类似“效率与功率损耗”等一系列设计问题。

此次研讨会上大家谈论最多的术语就是效率,即服务器和电信领域中计算机或台式机的效率。您对这个话题有什么看法?

人人都在谈效率,但这样讨论效率却非常不恰当。事实上,大家需要讨论的是“功率损耗”。二者确实有相关性,但如果只谈效率,那么只能说你关注的方向偏离了。效率随电压而变,所以它取决于输出电压的多少;而功率损耗却基本上与电压无关。

比如说,我有一个1V/10A的电源,其效率是80%。若将输出电压变为2V,现在的效率是90%,那么它损耗了相同的能量。也就是说,两种情况下的功率损耗是相同的,都是2W。

如果你观察开关稳压器的工作过程,你会发现它有一个与输入电压相关的静态电流;有一个与频率和输入电压相关的开关损耗;还有一个与输出电流相关的IR损耗。它们与输出电压没有内在联系,但是,当你查看不同公司各种开关电源的数据手册、对比不同输出电压的功率损耗时,你就会发现,它们都一样。

那效率和功率损耗对工程师的设计意味着什么呢?

站在工程师的角度来看,当你正在设计这些器件时,功率损耗会向你表明,当前功率有多大,以及它将变成多少?如果你正在设计一个电池供电系统,那么功率损耗会告诉你,你浪费了多少功率。效率是个很好的指标,但功率损耗是个更为重要的参数。所以,各公司也会谈及效率,但它们真正想表明的是他们产品的功率损耗很低。

当你的设计实际运行很糟糕时,你需要妥善处理效率与功率损耗之间的关系。当系统处于待机模式时,存储器仍然需要保持在工作状态。事实上,我们并不是真的在意效率高低,我们想知道的,只是此时为了保持存储器的工作状态,系统所付出的最小功率损耗是多少?所以,功率损耗能向你表明电池寿命会有多长。

效率是一个与输出电压相关的函数,所以,如果制造商想使一款开关稳压器的性能看起来非常“出色”,那么它就会在一个较高的输出电压下标定效率,因为在这种情况下产品看起来更加高效。例如,如果某厂商称,其产品的输出电压在1-4V间可调,那么他往往会给出输出电压为3.3 V时的参数,因为这时能得到相当好的效率指标。若给出的是1.2 V时的参数,则效率指标就差一些。

谈论效率本身并没有错,但这个参数无法描述整体情况。所以,如果我们接到客户的电话,声称想使用我们的产品,但另一家公司的器件比我们的效率高出5%时,我们要做的就是让他们明白,他们所说的那家公司的效率是指在输出电压3.3V下的值,而我们的是则是在1.2 V时的情况。

那么电源工程师在进行设计时要特别注意哪些方面呢?

设计师应关注功率损耗和可制造性,根据系统体积的不同,他们或许还要将监控包括在内,监控是通过电源管理总线(PMBus)而实现的。我认为,目前有关数字电源的观念被过分宣传了。

我还记得当业界刚开始进入模拟ASIC和数字ASIC之争的时候,LSI公司(前身LSI Logic公司)和VLSI公司的数字ASIC势头很猛。不能否认,数字电源是有市场的,但到目前为止其实现的最重要环节是遥测技术。

我认为只要系统能工作,客户才不会介意它到底是使用了模拟还是数字技术。从理论上讲,数字技术可以帮助工程师实现一些复杂工作——工程师可以将频率响应作为负载阶跃的一个函数来进行调整,也可以将其恢复到原来的数值。但这一切值得吗?另外,这样做会产生什么问题?

如果你有一个控制良好的系统,不会自振荡,你开始“鼓捣”它并改变了这个系统的频率响应,你真打算去加些特定类型的负载,使系统振荡几个周期或静止下来吗?你也不确定。但是如果这个数字系统可以工作,而且成本不太高,那么相信用户不会太介意。

LTC今后在支持数字电源设计上有什么打算?

在数字电源方面,我们肯定会支持遥测技术,而且很可能把该技术用于我们的开关稳压器中。但它是一个发展项目,而且我们会考虑所有可能。如果以数字方式实现功能的成本高于模拟方式,我们就不会继续下去。

功效从另一角度来看与热问题相关,在帮助工程师解决热挑战方面,LTC有何解决方案?电信领域的服务器市场是不是LTC正在瞄准的目标?

是的,它确实是我们的目标。现在,多数开关电源都十分高效。我们拥有一些体积非常小,而且非常高效的模块,我们能够优化模块中的FET和开关稳压器,控制其频率和电感,从而在小体积中达到非常高的效率。FET的阻抗仅有几个毫欧,而且在高输出电流下整个模块的功率损耗仅为2W。我认为,一些架构需要更好的效率,特别是在低输出电压下。我们正在寻求方法使这些架构模块化,我们正在寻求方法,在不损耗更多功率的前提下提高效率。这意味着,我们必须有很好的FET、更小的电感(线圈尺寸不大),因为只有这样,I2R损耗才不会太大。

虽然我们有适用这种场合的技术,但是LTC不一定非将它们都做成芯片,因为有些方案需要大量的磁性元件。另外,虽然我们可以将磁性元件、多个芯片和FET的整合方案做成一个模块,但是如果将其作为单一芯片出售,向用户解释如何使用该芯片将成为另一个难题。LTC是首批制造开关稳压器的公司之一,当初,在培训板卡客户如何将开关稳压器置于板卡上时我们就曾遭遇了艰巨挑战。

您打算不久后就退休吗?

这是我的生活,另外我喜欢我现在做的事情,它能释放你的创造力。这有点像学一门外语:你有想要翻译东西,而且知道基本规则,你还要寻找其它一些东西,并开始写一些方程以勾画事情的进程。但你必须熟练掌控所有这些知识。

设计IC就像是作诗。为了得到好作品,你必须了解所有零碎的细节。这是件苦中得乐的事。另外,当你设计了一片IC后,如果这片IC出了什么问题的话,成千上万的人都清楚该去找谁。

真的,它就像作诗。

凌力尔特的协创人兼CTO Robert Dobkin

教育背景:

曾就读于麻省理工学院

Robert Dobkin

工作背景:

1981 - 今:凌力尔特公司协创人兼CTO,负责新产品开发;

1970 -1981:美国国家半导体公司,先进电路开发总监

获得成就:

拥有90多项线性IC专利;

撰写50多篇技术文章;

Electronics Magazine,1976年度人物;

Electronic Design,名人堂(Hall of Fame)成员;

EDN, 1994年度创新者。

作者:史波






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